元素周期律和元素周期表的发展史

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元素周期律和周期表的发展史

一、德贝莱纳、迈耶尔、纽兰兹最早的元素周期表
　　随着元素数目在十九世纪的增多，每一种元素都具有不同的特性，化学家们开始感到他们像是迷失在一座茂密的丛林中：自然界究竟有多少种元素？它们之间的内在关系怎样？有没有规律？怎样分类？科学的精髓就在于要从表面的杂乱中理出秩序来，所以科学家们一直想从元素的特性当中找出某种规律来。 

1829年已经知道的元素有五十种左右。德国的化学家贝赖纳首先发现有些元素性质相近，在原子量上有一种算术级数的关系。他对十五种元素进行分组，三个一组，分成五组。这是根据元素性质和原子量对部分元素进行分类的首次尝试，尽管他找到的规律仅能说明局部，而且使人感到偶然性的成分很大，但是，这种从事物本身来说明事物，寻找联系，由定性到定量的过渡代表了本质上正确的新方向，开拓了寻找元素规律的先河，它对后来周期律的发现是很有启发的。

1850年，德国人培顿科弗宣布，性质相似的元素并不一定只有三个；性质相似的元素的原子量之差往往为8或8的倍数。

1862年，法国化学家尚古多创建了《螺旋图》，他创造性地将当时的62种元素，按各元素原子量的大小为序，标志着绕着圆柱一升的螺旋线上。他意外地发现，化学性质相似的元素，都出现在同一条母线上。

1863年，英国化学家欧德林发表了《原子量和元素符号表》，共列出49个元素，并留有9个空位。

上述各位科学家以及他们所做的研究，在一定程度上只能说是一个前期的准备，但是这些准备工作是不可缺少的。而德国化学家迈尔和英国化学家纽兰兹在元素周期律的发现过程中起了决定性的作用。

1864年，德国的迈耶尔发表了《六元素表》。迈耶尔在《近代化学理论》共发表了三张元素周期表。迈耶尔吸取前人的研究成果，主要从化合价和物理性质方面入手独立地发现了元素周期律。

1865年，英国青年化学家纽兰兹也发现：按原子量递增的顺序，每隔八个元素就有重复的物理和化学性质出现，因为和音乐上的八度音相似，所以称"八音律"。但是，他们两人还没有认识到在已知元素之间还有未发现的元素，因此"八音律"存在许多矛盾。1866年，纽兰兹在英国化学学会上提出了"八音律"的见解时，引起了哄堂大笑。有人讽刺说，你怎么不按元素的字母排列呢？可见要让人们接受一个青年人提出的新的但是还不完整的思想，是多么的困难，科学界内部的保守势力同样在阻碍科学的进步。许多年以后，即在元素周期表的重要性得到普遍承认以后，他们的论文才得以发表。纽兰兹甚至还因此而获得了勋章。

二、门捷列夫发现元素周期律

俄国化学家门捷列夫终于从杂乱无章的元素迷宫中理出了一个头绪。门捷列夫为了研究元素的分类和规律，把当时已知的几十种元素的主要性质和原子量写在一张张的小卡片上，反复进行排列，比较它们的性质，探索它们之间的联系。1869年，他正式提出元素周期律，它在周期表中排列了当时已经知道的63种元素。门捷列夫的元素周期律的原理基本上同德尚库图瓦以及纽兰兹的相同，不过门捷列夫的周期律更加的科学和完整，同时也比他们具有更大的勇气和信心来宣扬他的观点。 门捷列夫的"周期表"比纽兰兹的元素表更为复杂，也更接近我们今天认为是正确的东西。
　　当某一元素的性质使它不能按原子量来排列时，门捷列夫就大胆地把它的排列位置掉换一下，他这样做的根据是：元素的性质比元素的原子量更为重要。后来证明，他这样做是正确的。例如，碲的原子量是127.61，如果按原子量排，它应该排在碘的后面，因为碘的原子量是126.91。但是在在这个分栏的周期表中，门捷列夫把碲提到碘的前面，以便使它位于性质和它极为相似的硒的下面，并使碘位于性质和碘极为相似的溴的下面。

三、门捷列夫在周期表中留下空格
　　当找不出任何别的办法使排列不致违背即定原则时，门捷列夫就在周期表中留出空位，并以一种似乎是非常大胆的口气宣布说：属于这些空位的的元素将来一定会被发现。不仅如此，他还用表中待填补进去的元素的上、下两个元素的特性作为参考，指出表中三个待填补的元素的大致性状。

四、门捷列夫周期表被填满
　　门捷列夫在这件事上是很幸运的：他所预言的这三种元素全都在他还活着的时候被发现了。1875年，法国化学家布瓦博德郎在研究闪锌矿时发现了新元素镓，它与门捷列夫预言的亚铝性质一样。于是镓就成为化学史上第一个先有理论预言，后被发现认证的元素。1879年，瑞典化学家尼尔森发现了亚硼--钪；1886年德国化学家温克勒尔发现亚硅--锗。门捷列夫预言未知元素15种，后都被实践所证实。
　　在元素周期律发现以前，人们发现元素是偶然的，常常会有某一个新发现的元素突然闯进到元素的序列中，把原先采用的序列打乱。在周期律的指导下，人们就可以有计划、有目的的寻找化学元素了。

五、拉姆塞发现稀有气体完善周期律
　　在门捷列夫制定元素周期表的时候，惰性元素还没有被发现，因此没有给它们排列位置。1894年拉姆塞发现了氩，紧接着又发现了其它惰性元素。门捷列夫尊重事实，在周期表中补充了惰性元素族，完善了元素周期律。
   六、莫塞莱得出原子序数等于原子的核电荷数
　　X射线的发现为周期表的历史开辟了一个新的时代。1911年，英国物理学家巴拉克发现，当X射线被金属散射时，散射后的X射线的穿透本领会随着金属的不同而迥然不同。1914年，英国青年物理学家莫塞莱确定了各种金属所产生的标识X射线的波长，并得到了一个重要的发现：各元素的波长非常有规律地随着它们在周期表中的排列顺序而递减。
　　这使得各种元素在周期表中应处的位置完全固定下来了。如果周期表中有两个挨在一起的元素，它们所产生的X射线的波长差比原来预期的差值大一倍的话,那么,它们之间肯定应当有一个属于一个未知元素的空位；如果两个元素的标识X射线的波长差同预期值并没有出入，那么，就可以肯定它们之间并不存在着待填补进去的元素。这样，人们就有可能确切地知道元素的确定数目了。
　　化学家们当时把元素从1(氢)一直排列到92(铀)，并且发现，这种"原子序数"不仅对于了解原子的内部结构十分重要，而且比原子量更为重要。 根据莫塞莱工作，化学家们对化学元素周期律作出了科学解释，反映了作为元素周期律的真正基础不是元素的原子量，而是原子序数也就是原子的核电荷数（或者说是原子核外的电子数）。莫塞莱的新体系几乎立即就被证明是很有价值的。

七、填补元素周期表的空位

法国化学家于尔班在发现了镥以后，曾宣布他又发现了另外一种被称之为"锯"的新元素、根据莫塞莱的体系，镥是第71号元素，而"锯"则应该是第72号元素。但是在莫塞莱分析了"锯"的标识X射线以后，弄清了所谓"锯"实际上仍然是镥。第72号元素一直到1923年，才被丹麦物理学家科斯特和匈牙利化学家赫维西在哥本哈根的一个实验室中检测出来，并定名为铪。
　　当莫塞莱的方法的准确性得到了证实的时候，他已经不在人世了，他是在1915年作为第一次世界大战的牺牲者，在加利波利死去的，当时才28岁。瑞典物理学家西格班扩展了莫塞莱的工作，他发现了一系列新的X射线，并精确地测定了各种元素的X射线谱，并因此项工作而获得了1924年的诺贝尔物理学奖。
　　1925年，德国的诺达克、塔克和贝格又填补了周期表的另外一个空位。他们在对可能含有他们要寻找的这种元素的矿石进行了三年的研究以后，终于发现了第75号元素，并把它定名为铼。这就使得周期表中尚待填补的空位只剩下了四个，即第43号、第61号、第85号和第87号元素。
　　没想到的是，人们为了寻找剩下的这四个元素，用了整整二十年的时间，因为化学家们当时并没有认识到，所有的稳定性元素已经全部找到了，尚待填补的这几个元素都是不稳定的元素，它们在今天的地球上已经极其稀少，因而除了其中一个元素以外，全都必须在实验室中用人工方法制备出来，才能加以证认。　　X射线发现以后，许多科学家都兴致勃勃地去研究这类新的、具有巨大穿透能力的辐射，法国物理学家亨利·贝克勒尔就是其中之一。发现了更激动人心的铀的放射性。

　　"放射性"这个术语是居里夫人提出来的，她用它来描述铀的辐射能力。居里夫人还进一步发现了第二种放射性物质--钍。在这以后，很快又有别的科学工作者作出了许多重要的发现。他们的发现证明，放射性物质的辐射不但比 X射线具有更大的穿透力，而且也更强。此外，科学工作者又发现，放射性物质还会发出别种射线，这又使科学家们在原子的内部结构方面得到了一些新的发现。
　　放射性元素在发出射线的过程中会转变为另一种元素。第一个发现这一现象的是居里夫人，她是在无意中发现的。有一次，居里夫人和她的丈夫为了弄清一批沥青铀矿样品中是否含有值得加以提炼的铀，他们对其中的含铀量进行了测定，但他们惊讶地发现，有几块样品的放射性甚至此纯铀的放射性还要大。这就很明显地意味着，在这些沥青铀矿石中一定还含有别的放射性元素。同时，这些未知的放射性元素一定是非常少的，因为用普通的化学分析方法不能把它们检测出来。
　　居里夫妇带着十分激动的心情，搞到了几吨沥青铀矿，他们在一个很小的木棚里建了一个作坊，在很原始的条件下以极大的毅力在这些很重的黑色矿石中寻找这些痕量的新元素。1898年7月，他们终于分离出极小量的黑色粉末，这些黑色粉末的放射性比同等数量的铀强400倍。
　　这些黑色粉末含有一种在化学性质上和碲很相似的新元素，因此，它在周期表中的位置似乎应该处在碲的下面。居里夫妇把这个元素定名为钋，以纪念居里的祖国波兰。
　　但是钋只是使她们的黑色样品具有这样强的放射性的部分原因。因此，她们又把这项工作继续进行下去，到1898年12月，居里夫妇又提炼出一些放射性此钋还要强的东西，其中含有另一种在化学特性上和钡很相似的元素，居里夫妇把它定名为镭，意思是"射线"。居里夫妇为了收集足够多的纯镭以便对它进行研究，又进行了四年的工作。居里夫人在1903年就她所进行的研究写了一个提要，作为她的博土论文。这也许是科学史上最出色的博土论文，它使她两次获得了诺贝尔奖金。居里夫人和她的丈夫以及贝克勒尔因在放射性方面的研究而获得了1903年的诺贝尔物理学奖，1911年，居里夫人因为她在发现钋和镭方面立下的功绩而单独获得了诺贝尔化学奖。
　  1899年，德比埃尔内根据居里夫妇的建议，在沥青铀矿石中继续寻找其他放射性元素，终于发现了被他定名为锕的元素，这个元素后来被列为第89号元素；1900年，德国物理学家多恩指出，当镭发生衰变时，会生成一种气态元素。放射性气体在当时是一种新鲜的东西，这个元素后来被命名为氡，并被列为第86号元素；最后，到1917年，两个研究小组--德国的哈恩和梅特涅小组、英国的索迪和克兰斯顿小组--又从沥青铀矿石中分离出第9l号元素--镤。
　　到1925年为止，已被确认的元素总共巳达八十八种，其中有八十一种是稳定的，七种是不稳定的。这样一来，努力找出尚未发现的四种元素(即第43，61，85，87号元素)就成为科学家们的迫切愿望了。

　　由于第43号元素在周期表中正好处在铼的上面，人们预料它和铼具有相似的化学特性，而且可以在同一种矿石中找到。事实上，发现铼的研究小组认为，他们肯定已测出了波长相当于第43号元素的X射线。因此，他们宣称第43号元素已被发现。但是他们的鉴定并没有得到别人的肯定。在科学上，任何一项发现至少也应该被另一位研究者所证实，否则就不能算是一项发现。
　　1926年，伊利诺斯大学的两个化学家宜称他们已在含有第60号和第62号元素的矿石中找到了第61号元素。同年，佛罗伦萨大学的两个意大利化学家也以为他们已经分离出第61号元素。但是这两组化学家的工作都没有得到别的化学家的证实。
　　几年以后，亚拉巴马工艺学院的一位物理学家报道说，他已用他亲自设计的一种新的分析方法找到了痕量的第87号和第85号元素，但是这两项发现也都没有得到证实。后来发生的一些事情表明，第43，61，85和87号元素的所谓"发现"，只不过是这几位化学家在工作中犯了这样或那样的错误罢了。
　　在这四种元素当中，首先被确定无疑地证认出来的是第43号元素。曾经因发明回旋加速器而获得诺贝尔物理学奖的美国物理学家劳伦斯，通过用高速粒子轰击第42号元素钼的方法，在他的加速器中产生了第43号元素。被轰击过的材料变成了放射性的物质，劳伦斯便把这些放射性物质送到意大利化学家赛格雷那里去进行分析，因为赛格雷对第43号元素的问题很感兴趣 。
　　赛格雷和他的同事佩列尔把有放射性的那部分物质从钼中分离出来以后，发现它在化学特性上和铼很相似，但又不是铼。因此他们断言，它只能是第43号元素，并指出它和周期表中与之相邻的元素有所不同，是一种放射性元素。由于它不能作为第44号元素的衰变产物而不断产生出来，所以事实上它在地壳中已不复存在。赛格雷和佩列尔就这样终于取得了命名第43号元素的权利，他们把它定名为锝 ，这是世界上第一个人工合成的元素。 

　　1939年，第87号元素终于在自然界中被发现了。法国化学家佩雷在铀的衰变产物中把它分离了出来。由于它的存在量极小，所以只有在技术上得到改进以后，人们才能在以前未能找到它的地方把它找田来。佩雷后来把这个新发现的元素命名为钫。
　　第85号元素和锝一样，是在回旋加速器中通过对第83号元素铋进行轰击而得到的。1940年，赛格雷、科森和麦肯齐在加利福尼亚大学分离出第85号元素。第二次世界大战中断了他们在这个元素方面所进行的工作，战后他们又重新进行，并在1947年提出把这个元素命名为砹。
　　与此同时，第四个也是最后一个尚未被发现的元素，第61号元素也在铀的裂变产物中发现了。橡树岭国立实验室的马林斯基、格伦丁宁和科里尔这三位化学家在1945年分离出第6l号元素，他们把它命名为钷。
　　这样，元素一览表，从第1号至92号，终于全部齐全了。但是，从某种意义上说，向元素进军的最艰巨历程才刚刚开始，因为科学工作者已经突破了周期表的边界。原来，铀并不是周期表中最后一个元素。
　 寻找"超铀元素"的工作，实际上早在1934年就已开始了。这一年，费米在意大利发现，当他用一种新发现的，被称为中子的亚原子粒子来轰击一种元素时，经常会使被轰击元素转变为原子序数比它大1的元素。既然如此，是不是能够使铀转变成第93号元素--一种在自然界中不存在的人造元素呢，费米的小组于是着手用中子来轰击铀，他们获得了一种产物，他们以为他们所获得的产物无疑是第93号元素，并称之为"铀X"。
　　1938年，费米由于他在中子轰击方面的研究而获得了诺贝尔物理学奖。他的这项发现的真正意义，或者说这项发现对人类将会产生的后果，人们当时甚至连想也没有想过。正像另外一位意大利人哥伦布一样，他所发现的虽然并不是他本来想找的东西，但重要性则远远超过他当时所能想像到的。
　　在这里只要指出一点就够了：在人们循着一些虚假的迹象进行了一系列追索以后，终于发现，费米所做的这个实验实际上并不是"制成"了一个新元素，而是把铀原子分裂成大致相等的两半。但当某些物理学家在1940年着手研究这种过程时，第93号元素却像是他们实验的一个偶然收获而突然出现了。
　　在用中子轰击铀时出现的好些元素当中，有一种起初无法证认的元素。这使加利福尼亚大学的麦克米伦开始认识到，裂变中释出的中子很可能已经像费米曾经希望会发生的那样，使某些铀原子转变为原子序数更高的元素了，而且麦克米伦和物理化学家艾贝尔森能够证明，那个未被证认出来的元素实际上就是第93号元素。证实这个元素存在的证据是它在放射性方面所具有的特点，这是后来新发现的所有元素的一个共同点。
　　麦克米伦认为，很可能还有另外一种超铀元素和第93号元素混在一起．后来，，并指出这个元素就是第94号元素。第93和第94号元素分别被命名为镎和钚。后来发现，它们也在自然界中存在，因为人们后来在铀矿石中发现了痕量的镎和钚。这样一来，铀这个元素就不再是最重的天然元素了。
　　后来，西博格以及加利福尼亚大学的一个研究小组继续得到了一种又一种超铀元素。他们在1944年通过用亚原子粒子来轰击钚的方法，得到了第95和96号元素，并分别把它们命名为镅和锔，后者是为纪念居里夫妇而命名的。在他们制出了足够数量的媚和锔以后，他们又对这些元素进行轰击，并先后在1949年和1950年成功地获得了第97和98号元素。他们把这两种元素分别命名为锫和锎。1951年，西博格和麦克米伦由于这一系列成就而共同获得了诺贝尔化学奖。

　　第99和100号元素则是在一种更加戏剧性的场合下发现的，它们是1952年11月第一颗在太平洋上空爆炸时出现的。尽管它们的存在早巳在爆炸碎片中被检测到，但是直到加利福尼亚大学的研究小组1955年在实验室中获得了小量这两种元素以后，它们才得到确认，并被分别命名为锿和镄，前者是为了纪念爱因斯坦，后者则是为了纪念费米，因为他们两人都在这以前几个月去世了。后来，这个研究小组又对小量的锿进行了轰击，并获得了第101号元素。他们把这个元素命名为钔，以纪念门捷列夫。
　　接着，加利福尼亚大学又和瑞典的诺贝尔研究所合作，在这个基础上向前迈进了一步。诺贝尔研究所进行了一种特别复杂的轰击，产生了小量的第102号元素，这个元素被命名为锘，是以诺贝尔研究所的名字来命名的，但是这项实验没有得到确认。后来又有人用别的方法、而不是用诺贝尔研究所最先介绍的方法获得了这个元素，因此，在锘被正式公认为这个元素的名称之前，曾有一段时间的拖延。
　　1961年，加利福尼亚大学的一个研究小组检测出第103号元素的一些原子，并把这种元素定名为铹，这是为了纪念劳伦斯，因为他是不久前去世的。后来，苏联弗廖罗夫所领导的研究小组报道说，他们在1964年和1967年分别获得了第104号和第105号元素 ，但是他们用来产生这两种元素的方法并没有得到确认。后来，美国吉奥索领导的研究小组用别的方法产生了这两种元素。
　　这样，在谁先发现这两种元素的问题上，就发生了激烈的争论，两个研究小组都宣称它们有权为这两种元素命名。国际纯粹与应用化学联合会为解决命名争执问题，自1971年以来，曾多次开会讨论，均未解决。为此，该联合会无机化学组于1977年8月正式宣布以拉丁文和希腊文混合数字词头命名lOO号以上元素的建议。据此，104号元素的英文名称为unnilquadium，符号Unq；105号元素的英文名为unnilpentium符号Unp。
　　不过竞争还没有结束，1974年弗廖罗夫的研究小组用加速器加速的铬离子轰击铅靶，反应合成了质量数为259的106号元素的同位素。几乎同时，美国的吉奥索用加速器加速的氧离子轰击259微克的锎靶，反应合成了质量数为263的106号元素的同位素，并用测量263衰变链子体的方法进行了鉴定。
　　1976年弗廖罗夫的研究小组用加速器加速的铬离子轰击铋靶，合成了质量数为261的107号元素的同位素，并用测量261的衰变链子体的方法进行了鉴定，这一回苏联人领先了。后来，1981年联邦德国达姆斯塔特重离子研究所的明岑贝格等人用加速的铬离子轰击铋靶，合成了质量数为262的107元素的同位素。实验期间，他们每天能获得2个来自262衰变的α粒子，总共观察到6个计数。
　　1982年明岑贝格的科学小组用加速器加速的铁离子轰击铋靶，合成了质量数为266的109号元素的同位素。在长达一星期的轰击合成实验中，只获得了一个新元素原子；在266合成后千分之5秒时射出了具有11.10兆电子伏能量的α粒子。他们就是利用这唯一的事件，成功地用四种不同方式进行了鉴定，尤其是用测量266的衰变链子体的方法确证109号元素的合成。 

　　108号元素的发现晚于109号元素，1984年明岑贝格等再次用加速器加速的铁离子轰击铅靶，反应合成质量数为265的108号元素的同位素(或266)。总共记录了三个265(或266)原子，其寿命测定值分别为：24、22、34毫秒，并通过测量265的衰变链子体的方法，确证108号元素的合成成功。在此后的很长一段时间，再没有新的元素被发现或合成出来。在攀登超铀元素这个阶梯时，每登上一级都此前一级更为困难，原子序数越大，元素就越难收集，并且也越不稳定。当达到钔这一级时，对它的证认已开始仅靠十七个原子来进行。

元素周期表的发现史是化学史上的一个里程碑。它对讨论原子结构、有机化学、原子能、地球化学、生物化学、冶金、新元素的发现与合成都有深远的影响。元素周期表本身是较抽象的化学内容。从门捷列夫正式提出元素周期律，到1984年合成108号元素的一百多年的时间里，人们发现或合成了46种元素，每一种元素的发现都证明了门捷列夫的理论的正确性。而且它促使人们去研究元素周期性所包含得更深层次的理论根据，从而引导人们进入了原子的世界。

2016年6月8日，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）宣布，将合成化学元素第118号（Og）提名为化学新元素。该新元素由美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和俄罗斯的科学家联合合成[2-3]  ，为向超重元素合成先驱者、俄罗斯物理学家尤里·奥加涅相致敬，研究人员将第118号元素命名为oganesson（缩写Og），中文名为<气奥>，是一种人工合成的稀有气体元素，原子序数为118。在元素周期表上，它位于p区，属于18族，是第7周期中的最后一个元素，其原子序数和原子量为所有已发现元素中最高的，是人类已合成的最重元素。

118号元素的发现，使第七周期被填满了。第七周期也从原来的不完全周期变成了长周期。